Принцип работы
Поскольку
прямо пропорциональна разности температур
,
измеряя
и зная постоянную опорную температуру
,
можно определить искомую температуру
.
Применение
Измерение температуры: Наиболее распространённое применение — измерение температуры в широком диапазоне (от криогенных до тысяч градусов Цельсия) в промышленности и лабораториях.
Термогенераторы: Используются для преобразования тепловой энергии в электрическую (например, для питания спутников и глубоководных аппаратов, где есть разница температур).
Термохолодильники (Эффект Пельтье): Хотя эффект Пельтье обратен эффекту Зеебека, термопары могут использоваться для охлаждения при пропускании через них тока.
56 Эффекты Пельтье и Томсона — это два из трёх основных термоэлектрических явлений (вместе с эффектом Зеебека), которые описывают взаимосвязь между электрическим током и тепловыми процессами в проводниках.
1. Эффект Пельтье
Эффект Пельтье — это явление выделения или поглощения тепла, происходящее на контакте (спае) двух разнородных проводников или полупроводников при прохождении через него электрического тока.
Он является обратным к эффекту Зеебека.
Механизм
При прохождении тока через контакт двух разных материалов ( и ):
Разные энергии электронов: Средняя энергия электронов, участвующих в переносе тока, в материале и материале различна (это связано с разницей в уровне Ферми и работе выхода).
Выравнивание энергии: При переходе электронов с более низкого энергетического уровня на более высокий (например, из материала с более низким уровнем Ферми в материал с более высоким) электронам требуется дополнительная энергия, которая отбирается у кристаллической решётки — контакт охлаждается.
Передача энергии: При обратном переходе (с высокого уровня на низкий) электроны отдают избыточную энергию решётке — контакт нагревается.
Количественные характеристики
Количество теплоты
Пельтье (
),
выделяемой или поглощаемой за время
на контакте, пропорционально силе тока
:
Где
— коэффициент Пельтье (или абсолютный
коэффициент Пельтье), который зависит
от природы контактирующих материалов
и температуры.
Взаимосвязь с Зеебеком (Соотношение Томсона): Коэффициент Пельтье связан с коэффициентом термо-ЭДС ( ) следующим образом:
Где
— абсолютная температура контакта (в
Кельвинах).
Применение
Эффект Пельтье лежит в основе работы модулей Пельтье , которые используются для:
Термоэлектрического охлаждения (например, в портативных холодильниках, для охлаждения компьютерных процессоров).
Термоэлектрического нагрева (хотя это менее эффективно, чем резистивный нагрев).
2. Эффект Томсона
Эффект Томсона (открыт Уильямом Томсоном, лордом Кельвином) — это явление дополнительного выделения или поглощения тепла в объёме однородного проводника или полупроводника при одновременном протекании через него электрического тока и наличии градиента температуры (перепада температуры вдоль проводника).
Механизм
В однородном проводнике с градиентом температуры:
Градиент энергии: Электроны в горячей части имеют большую среднюю энергию, чем в холодной.
Ток и градиент: При прохождении электрического тока, если электроны (носители) движутся из горячей области в холодную, они отдают избыточную кинетическую энергию решётке, вызывая дополнительный нагрев (помимо тепла Джоуля-Ленца).
Обратный ток: Если электроны движутся из холодной области в горячую, они поглощают энергию решётки для ускорения, вызывая охлаждение проводника.
Смена знака: В отличие от тепла Джоуля-Ленца (
),
тепло Томсона (
)
меняет знак при изменении направления
тока (
).